CC BY
63
Пронина Л. А., Гмыря А. А., Хорошавина А. В. Использование лазерного сканирования при инженерно-геодезических изысканиях для целей проектирования реконструкции автомобильных дорог// Электронный научно-методический журнал Омского ГАУ. - 2019. - № 4 (19) октябрь - декабрь. - URL http://e-jourml.omgau.ru/images/issues/2019/4/00772.pdf. - ISSN 2413-4066
УДК 528.489:625.712.14
Пронина Лилия Анатольевна
Кандидат технических наук ФГБОУВО Омский ГАУ, г. Омск [email protected]
Гмыря Анна Александровна
обучающаяся 301 группы землеустроительного факультета ФГБОУ ВО Омский ГАУ, г. Омск [email protected]
Хорошавина Александра Викторовна
обучающаяся 301 группы землеустроительного факультета ФГБОУ ВО Омский ГАУ, г. Омск [email protected]
Использование лазерного сканирования при инженерно-геодезических изысканиях для целей проектирования реконструкции автомобильных дорог
Аннотация. Рассмотрен вопрос о назначении воздушно-лазерного сканировании. Уделено внимание технологии воздушного лазерного сканирования для целей проектирования реконструкции автомобильных дорог. Проанализирована основа метода лазерного сканирования и его преимущества. Изучена последовательность выполнения создания сети базовых станций и опознавательных знаков. Рассмотрены результаты воздушного лазерного сканирования и цифровой аэрофотосъемки.
Ключевые слова: воздушное лазерное сканирование, аэрофотосъемка, трехмерный объект, облако точек, инерциальная навигационная система
Воздушное лазерное сканирование - топографо-геодезическая технология для сбора геопространственных данных по рельефу и наземным объектам. Основой метода лазерного сканирования является лазерный сканер - лидар, базирующийся на воздушном судне.
Основная функция лазера - генерация импульсного или непрерывного излучения, которое, отражаясь от поверхности земли или наземных объектов, может быть использовано для измерения дальности от источника излучения до объекта, вызвавшего отражение.
Работа навигационного блока воздушного лазерного сканера основана на взаимодействии системы спутниковой навигации(GPS/ГНОЛАСС) и инерциальной системы в режиме реального времени.
Воздушное лазерное сканирование обладает рядом преимуществ: 1) Короткая технологическая цепочка
2) Гарантия точности измерений; работ по планово-высотному обоснованию при выполнении воздушной лазерно-локационной съемки за счёт метода прямого геопозиционирования;
3) Высокая производительность работ - темп сбора данных соответствует темпу обработки - благодаря передаче в камеральную работу законченных топографических данных;
4) Отсутствие зависимости проведения работ от времени суток и времени года;
5) Широкий спектр применения материалов лазерной локации.
Лазерно-локационные данные могут быть представлены в двух формах:
Дальномерная форма представления лазерно-локационного изображения
соответствует распределению в заданном координатном пространстве трехмерного облака лазерных точек с пространственными координатами x, y, z. Распределение лазерных точек образует пространственный образ объекта съёмки, который доступен визуальному анализу, проведения пространственных измерений и применению вычислительных методов для морфологического анализа.
Лазерно-локационное изображение в форме интенсивности по своим информационным свойствам чрезвычайно близко к естественным черно-белым фотографиям, что позволяет успешно использовать их для целей визуального распознавания объектов и камерального дешифрирования даже без привлечения традиционных аэрофотосъемочных данных.
Таким образом, выходным материалом воздушного лазерного сканирования является облако точек, каждая точка которого обладает пятью координатами: три пространственных - x, y, z; интенсивность - I и время регистрации t.
Плановое и высотное геодезическое обоснование для сопровождения воздушного лазерного сканирования, и цифровой аэрофотосъемки создается в виде сети базовых станций и опознавательных знаков.
В качестве исходных геодезических данных при создании сети базовых станций и опознавательных знаков следует использовать постоянно действующие станции международной сети, существующие пункты государственных, опорных и специальных плановых и высотных геодезических сетей.
Плановое положение пунктов базовых станций и опознавательных знаков в зависимости от условий местности, применяемых приборов и инструментов, сроков и времени выполнения работ следует определять спутниковыми геодезическими приборами GPS/ГЛОНАСС или методами триангуляции, полигонометрии и трилатерации в сочетании со спутниковыми геодезическими измерениями. Плановое положение пунктов базовых станций в системе координат WGS-84 следует определять с точностью плановых геодезических сетей 4 класса. Плановое положение опознавательных знаков следует определять с точностью плановых геодезических сетей 1 разряда. Высотное положение пунктов базовых станций опознавательных знаков в системе координат WGS-84 следует определять спутниковыми геодезическими приборами с точностью нивелирования IV класса и нивелирование IV класса.
Методику определения координат и высот пунктов базовых станций и опознавательных знаков методом спутниковых геодезических измерений следует принимать с учетом требований СП 11-104-97 Инженерно-геодезические изыскания в строительстве, ГКИНП (ОНТА)-02-262-02 Инструкция по развитию съемочного обоснования и съемке ситуации и рельефа с применением глобальных спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС и GPS, а также указаний предприятий-изготовителей приборов спутниковых геодезических измерений.
Планирование расположения базовых станций следует выполнять из расчёта их удаленности друг от друга. Расстояние между пунктами базовых станций не должно превышать 70 км. На один площадной объект площадью до 100 кв. км или на один
линейный объект протяжённостью до 10 км следует устанавливать не менее 5 опознавательных знаков.
При проектировании сети базовых станций и опознавательных знаков следует учитывать возможность их совмещения с пунктами плановых и высотных государственных и опорных геодезических сетей.
Метод маркировки пунктов базовых станций и опознавательных знаков определяется программой выполнения инженерно-геодезических изысканий. Закрепление пунктов базовых станций и опознавательных знаков, не совмещенных с пунктами плановой и высотной государственной и опорной геодезической сети, выполняется временными указаниями, если иное не предусмотрено заданием на выполнение инженерно-геодезических изысканий. Систему координат и высот пунктов базовых станций и опознавательных знаков следует устанавливать в программе выполнения инженерно-геодезических изысканий в соответствии с заданием заказчика на их выполнение и утверждать при регистрации работ территориальным органом.
Создание сети базовых станций и опознавательных знаков следует выполнять в последовательности:
- проектирование сети базовых станций и опознавательных знаков и привязка пунктов базовой сети к международной сети постоянно действующих станций;
- привязка пунктов сети базовых станций к пунктам государственной геодезической сети, получение координат и эллипсоидальных отметок исходных пунктов WGS 84 и пунктов базовых станций в СК-95, вычисление локальных параметров трансформации из WGS-84 в СК-95;
- перевычисление координат пунктов государственной геодезической сети, пунктов базовых станций и опознавательных знаков из СК-95 в местную систему координат;
- передача заказчику на сохранность заложенных пунктов.
Воздушное лазерное сканирование и цифровая аэрофотосъемка для создания цифровых топографических планов выполняется с использованием аэрофотосъемочных камер и лазерных сканеров в сочетании с инерциальными измерительными системами и системами спутниковой навигации.
Результатом воздушного лазерного сканирования и цифровой аэрофотосъемки являются цифровые и аналоговые изображения и трехмерные облака точек земной поверхности.
Ортофотопланы могут создаваться как конечный результат геодезических и картографических работ в составе инженерно-геодезических изысканий или являться промежуточным этапом создания цифровых топографических планов методом воздушного лазерного сканирования цифровой аэрофотосъемки. Создание цифровых ортофотопланов как конечного результата следует выполнять в соответствии с заданием заказчика и программой выполнения инженерно-геодезических изысканий для создания цифровых ортофотопланов методом воздушного лазерного сканирования и цифровой аэрофотосъемки.
Ортофотопланы следует создавать в соответствующем программном обеспечении из наиболее качественных фотоснимков, покрывающих участок местности, с целью получения непрерывного фотоизображения местности без видимых швов и порезов с учётом ошибок за рельеф. Точность созданных цифровых ортофотопланов оценивается по опорным и контрольным фотограмметрическим точкам, по линиям соединения фрагментов, полученным со смежных снимков и сводкам со смежными фотопланами.
При выполнении инженерно-геодезических изысканий для разработки предпроектной, проектной и рабочей документации железных и автомобильных дорог, магистральных трубопроводов и других линейных сооружений в здании заказчика могут предусматриваться дополнительные работы по съемке пересечении проектируемыми линейными сооружениями естественных и искусственных препятствий. В зависимости от масштаба и детальности такие съемки могут выполняться наземным методом или методом
воздушного лазерного сканирования и цифровой аэрофотосъемки, или их сочетанием созданием дополнительного планового и высотного геодезического обоснования, что следует предусматривать в программе выполнения инженерно-геодезических изысканий.
Для проектирования реконструкции автомобильных дорог необходимо запроектировать маршрут полетов и рассчитать параметры полета. Следующим этапом будет создание траектории полета и временных меток фотографий в специальном программном обеспеченииЮ1р1ап. Для этого загружаем участок в программу и задаем линии полетов. Импортируем данные на карточку. Проектируем расположение наземных базовых станций таким образом, чтобы они находились не дальше 30 км от воздушного судна в момент полета. Устанавливаем сканер в люк вертолета и закрепляем болтами. После завершения полета не стоит выключаться оборудование в течение 15 минут, иначе часть данных может быть потеряна. После перенесения данных на ПК приступаем в обработке траектории в программном обеспечении AEROffice. После проверки точности траектории сохраняем в формате *.txt, далее этот файл мы указываем в ПО AEROfficeдля дальнейшего уравнивания.
Для целей сравнения считаем ту же траекторию только методом PrecisePointPositioning(PPP). Выполняем все те же действия что и при обычном уравнивании только при обработке в ПО GrefNav ставимProcessingMethod-PPP, скачиваем с Интернета эфемериды на нужное нам число в формате *.sp3, *.clk и начинаем уравнивание. По окончанию уравнивания смотрим GPS точность.
Сохраняем траекторию в формате *.txt и загружаем её в ПО AEROffice для получения совместно уравненной траектории. После получения которой делаем вывод относительно точности двух методов.
Сравнивая результаты двух отсчётов можно сделать вывод, что методом уравнивания PrecisePointPositioning уступаем в точности методу GNSS почти в 2 раза, но его результаты все равно находятся в допуске. Окончательные выводы можно сделать только когда увидим уравненные облака точек, сделанные с помощью обеих траекторий.
Получив траекторию приступаем в обработке лазерного облака точек в ПО RiProcess. Уравниваем. Последним этапом обработки данных воздушного лазерного сканирования является совместное уравнивание уравненного облака точек и контрольных объектов. На данном этапе обработки ранее уравненное облако точек притягивается к контрольным объектам и тем самым все точки облака получают верные координаты.
В целях исследования уравниваем облако точек, с теми же параметрами, но с траекторией посчитанном методом PrecisePointPositioning(PPP). Данные полученные с помощью траектории, посчитанной по методу РРР, уступают данным полученным, с помощью траектории, посчитанной по методу GNSS. Хотя полученная точность удовлетворяет требованиям по созданию топографических планов масштаба 1:500, но сделать окончательный вывод по этим результатам нельзя. Уравненное облако точек надо привязать к контрольным объектам.
По окончательным данным можно сделать вывод, что по данным уравненным с помощью траектории, посчитанной по методу РРР можно выполнять съемку масштаба 1:2000 и мельче, а по данным полученным с помощью траектории, посчитанной по методу GNSS можно обеспечить необходимой точностью съемку масштаб 1:500.
В результате выполнения работы были изучены современные методы обработки облака лазерных точек при разных методах уравнивания траектории и создана трехмерная модель местности для целей реконструкции автодорог. Установлено, что метод ВЛС позволяет создавать трехмерные модели, удовлетворяющие по точности планам масштаба 1:500.
Ссылки на источники:
1.Антонович, К.М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии: монография. В 2 т. Т.1. / К.М. Антонович; ГОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия». - М.: Картгеоцентр, 2005.-334 с.
2.Антонович, К.М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии: монография. В 2 т. Т.1. / К.М. Антонович; ГОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия». - М.: Картгеоцентр, 2006.-360 с.
3 .Инжгео http://www.inigeo.ru/rus
4.Ипатова Л.П. Автоматическая идентификация одноимённых областей и точек стереопары фотоснимков/ Ипатова Л.П., Хрущ Р.М. Геодезия и картография. 2001. №6. С.22-24.
5.Ковров А.А. Мобильные сканирующие системы Геопрофи. - 2007. - №6. - С.45-48.
6.Медведев Е.М. Лазерная локация земли и леса./ Медведев Е.М. Данилин И.М. Мельников С.Р. - М.: Геолидар, Геокосмос;Красноярск: Институт леса им. Сукачева СО РАН, 2007. - 229 с.
7.Медведев Е.М. Лазерная локация и аэрофототопграфия. - М.: Проспект, 2006, - 60
с.
8.Мельников С.Р. Некоторые аспекты применения трехмерного лазерного сканирования НПП / Мельников С.Р., Подоприхин Р.В., Григорьев А.В. «Геокосмос» Нефтяное хозяйство. - 2002. - №5.
9.Лаврова, Н.П. Аэрофотосъемка. Аэрофотосъемочноеоборудование: учеб. для вузов/Н.П. Лаврова, А.Ф. Стеценко. -М.:Недра, 1981.-296с.
10.Лобанов А.Н. Фотограмметрия с применением электронной цифровой машины. / Лобанов А.Н., Овсянников Р.П., Дубиновский В.Б, Изд. 3-е переработаное М.: Недра 1975.-264с.
Liliya Pronina
FSBEI HE Omsk SA U, Omsk
Anna Gmyrya
FSBEI HE Omsk SA U, Omsk
Alexandra Khoroshavina
FSBEI HE Omsk SA U, Omsk
The Use of Laser Scanning in Engineering and Geodetic Surveys for the Design of
Reconstruction of Roads
Abstract. Considered the appointment of air-laser scanning. Attention is paid to airborne laser scanning technology for the design of road reconstruction. The basis of the laser scanning method and its advantages are analyzed. The sequence of creating a network of base stations and identification marks has been studied. The results of airborne laser scanning and digital aerial photography are considered.
Keywords: airborne laser scanning, aerial photography, three-dimensional object, point cloud, inertial navigation system
